낮은 도로조명 방식에 접합한 LED조명 기구의 반사...

도로조명은 야간에 도로 운전자가 안전하게 주행할 수 있도록 해주는 도로 안전시설물이다. 근래 기본적인 도로조명의 목적은 유지하면서 시 경관을 해치지 않는 낮은 도로조명 방식의 조명기구가 개발되고, 새로운 조명시스템으로 주목받고 있다. 낮은 도로조명 방식은 기존의 높은 등주형 가로등과는 다른 유형으로, 도로의 난간 측에 설치되어 낮은 위치에서 노면만을 비추는 조명방식이다. 따라서, 쾌적한 시 경관을 구현할 수 있으며, 설치 간격이 좁기 때문에 균제도를 향상시킬 수 있다. 또한 후사광이 없으며, 광침해가 적은 이점이 있다.(1) 본 논문에서는 낮은 위치에 설치되는 조명기구의 배광 제어를 위한 반사판을 설계하였다. 도로조명기구로써 기본적으로 요구되는 도로 조명 기준을 만족할 수 있도록 적절한 배광을 구현하였다. 시뮬레이션을 통해 KS A 3701에서 추천하는 평균조도, 전반균제도, 차선축균제도를 만족해 주는 것을 확인하였다.

개발된 조명기구는 LED를 광원으로 사용한다. Osram의 Golden dragon series를 사용하며, 광학 부품으로 렌즈가 적용되는 기구와 반사판이 적용되는 기구가 있다. LED는 약 1.12W, 광 효율 77lm/W 의 특성을 갖는다. 빔 각은 약 170°이다.

낮은 조명 방식의 본 조명기구는 도로 난간에 0.9m 높이에 설치되며, 설치 간격은 2m이다. 비교적 낮은 높이에 설치되어 LED로부터 방사되는 빛을 반사판에서 집광시킨 후 노면을 향해 조사해준다.

개발된 조명기구는 12개의 LED가 선형 배열되고, 각각의 LED마다 반사판이 체결된다. 노면을 향해 집광시켜주는 개념이기 때문에 반사판은 포물형 반사판의 형상을 갖는다. 선정된 설치 조건에 따라 기준 수평면 조도를 달성하기 위한 LED의 목표 배광을 설정하였다. 광학 설계 시 기본적인 포물형 반사판 설계 방법을 이용하였다. 광원이 위치하는 지점을 포물선의 축으로 가정하 고, 반사판에서 반사되는 빛들은 평행하게 반사되어 나간다는 개념이다.(2)

LED의 칩 중앙에서 빛이 반사되며, 반사되는 빛들은 노면의 가장자리 부근까지 도달할 수 있도록 집광된다. 낮은 위치에 설치되는 이유로 엄밀한 광학 제어를 하지 않으면 운전자에게 도달하는 빛이 많아지게 된다. 이는 운전자에게 높은 망막조도를 제공함으로써 눈부심을 유발시킬 수 있다. 기구에서 나오는 상향광을 줄여주기 위한 광학설계를 하였다. 반사판의 상부는 위로 향하는 빛을 노면으로 하향 반사시켜주도록 설계하였다. 반사판의 반사율은 85%로 지정하였다. 시뮬레이션 결과로 나온 기구 효율은 85.8%였다.

TracePro 시뮬레이션 결과로 얻어진 IES 파일을 Lightscape 프로그램에 적용하여 조도분포 시뮬레이션을 하였다. 기구의 보수율은 0.8을 적용하였다. 실제 상황과 같이 12개의 LED와 반사판에 의한 광속을 지정해주고, 기구는 2m 간격으로 설치한 후 노면에서의 평균조도와 균제도를 분석하였다. [그림 5]에서 시뮬레이션 결과를 보여준다.

항 목 KS A 3701 시뮬레이션 결과 평균 노면 조도(lx) 22 39 lx 종합 조도균제도(Emin/Eavg) 0.4 0.54 차선축 조도균제도(Emin/Emax) 0.7 1차선 : 0.82 - 2차선 : 0.75 중앙 분리대 평균 조도 - 66 lx 1차선 운전자 망막조도 - 2.04 lx 2차선 운전자 망막조도 - 1.49 lx <표 1> 시뮬레이션 결과

낮은 높이에 설치되기 때문에 운전자의 눈에 도달하는 망막조도를 시뮬레이션 하였다. 또한 중앙분리대에서의 평균 연직면조도를 확인하였다. 결과는 <표 1>에 나타내고 있다. 시뮬레이션 결과, 도로조명기준을 만족하는 것을 확인하였다. 운전자 눈에서의 망막조도는 선행 연구되었던 글레어, 플리커 평가에서 눈부심과 플리커의 영향을 최소화하기 위한 망막조도 제한치 약 2 lx 정도로 나오는 것을 확인하였다.

본 논문에서는 낮은 조명 설치 시스템이 조명기구로써 성능을 충족시키기 위해 반드시 필요한 광학 제어 부품인 반사판을 설계하였으며, 설계된 반사판의 성능을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 낮은 조명 방식은 새로운 형태의 조명 방식으로 LED를 적용한 조명기구라는 측면에서, 저탄소 녹색성장의 정부 시책에 부응할 수 있는 대표적인 조명시스템이 될 수 있을 것으로 예상한다.

본 연구는 국가교통핵심기술개발사업의 일환인‘다기능 라인조명시스템 기술 개발(4차년도)’의 지원에 의해 수행됐다.

[ 참고문헌 ]   (1) 이미애, 황인태, 김 훈,‘ 낮은 도로조명 방식의 기구디자인 개발연구’, 한국조명전기설비학회 논문지,      Vol.23, No.03, p.1~7, 2009년 8월 (2) R. H. Simons and A. R. Bean, ‘Lighting Engineering - Applied Calculations’, p.212~213.

朴昌鎬님의 파란블로그에서 발행된 글입니다.